LED照明系統(tǒng)中照度均勻度優(yōu)化與評估方法探討

【關鍵詞】LED 照明系統(tǒng)；照度均勻度；光學設計；能源效率

引言

在當代照明技術領域中，LED照明系統(tǒng)已經成為一個前沿照明解決方案，其以節(jié)能性、高效性和實用性而被人們廣泛應用。由于不同生產商的生產技術水平不同，生產出來的LED燈具也存在很大差異，比如：LED燈具的亮度不同、能源利用效率不同、外觀設計和工藝制作也不同，特別是照度均勻度不同，而照度均勻度是體現(xiàn)LED燈具性能的一個關鍵因素，主要表現(xiàn)在它對人們視覺器官舒適性和環(huán)境照明清晰度以及能源效率產生了重大影響。

一、LED照明系統(tǒng)中照度均勻度的重要性

（一） 視覺器官舒適的重要性

在各種實驗室、醫(yī)院手術室等需要精確視覺照明任務的環(huán)境中，不均勻的照度將會導致工作人員視覺器官逐漸疲勞和注意力下降，甚至造成工作人員眩暈，直接會影響實驗室的實驗結果和醫(yī)院手術室的手術結果。LED照明系統(tǒng)具有良好的照度均勻度可以更好地消除燈光陰影、頻閃、藍光等對視覺器官造成疲勞的因素，創(chuàng)造一個有利于視覺器官長時間集中注意力和減緩眼部疲勞的工作環(huán)境。[1]例如，在實驗室環(huán)境中，LED照明系統(tǒng)具有良好的照度均勻度有助于實驗工作人員的實驗觀察和問題思考，這對實驗結果至關重要，因此良好的照度均勻度對視覺器官舒適度十分重要。

（二）照明亮度和節(jié)能的重要性

燈具種類繁多，現(xiàn)代燈具更是包含了家居照明、道路照明、景觀照明、工業(yè)照明、商業(yè)照明以及特殊照明等種類。而在燈具技術發(fā)展史上，家居照明的燈具種類繁多，例如：鎢絲燈、白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈、鹵素燈、鹵鎢燈、氣體放電燈以及LED燈，LED燈出現(xiàn)后彌補了前面幾種燈具的不足，LED燈不僅照明清晰度高，而且比其他燈具更加節(jié)能，而優(yōu)化照度均勻度把其節(jié)能的優(yōu)勢提升到新的高度，因為LED燈具的均勻照明只需要更少的電能便可實現(xiàn)相同的亮度水平，與照度均勻度差的燈具相比，它具有更高的能源利用效率。而照度均勻度差的燈具在生產時，生產商為了達到照明環(huán)境所有區(qū)域的最低照明需求，就會存在該照明環(huán)境的某些區(qū)域過度照明，這將會導致不必要的能源消耗，因此照度均勻度好也是節(jié)能的一種表現(xiàn)。在當今能源緊張的局勢下，以及崇尚節(jié)約的社會環(huán)境中，LED燈因多種優(yōu)勢脫穎而出，從而被人們廣泛應用。

（三）燈具使用壽命更長

LED照明系統(tǒng)照度均勻度的優(yōu)化可以減少特定區(qū)域的過度照明，不僅可以節(jié)省能源，還可以延長照明設備的使用壽命。例如，照度均勻度比較差的燈具可能需要以更高的功率工作，以彌補其他區(qū)域光照的不足，從而導致這些燈具部分零件更快地退化，也使得燈具使用壽命變短。而在均勻照明的LED照明系統(tǒng)中，由于具有良好的照度均勻度，照明系統(tǒng)的每個部分都可以以相同的工作狀態(tài)運行，減緩燈具設備退化的過程，延長其使用壽命。

二、LED照明系統(tǒng)在實際應用中的重要性

（一）辦公室

在辦公室的環(huán)境中，LED照明系統(tǒng)良好的照度均勻度對于創(chuàng)造一個舒適的工作環(huán)境至關重要。LED照明系統(tǒng)的良好照度均勻度可以保障辦公室的所有區(qū)域都得到均勻和充分照明，防止頻閃、藍光、陰影或眩光引起工作人員的各種視覺器官不適和影響工作效率。在照度不均勻的工作環(huán)境中，工作人員的視覺器官就需要不斷地調整瞳孔來適應不同強度的光，在這種環(huán)境中工作時間久了，就會導致眼部疲勞甚至頭暈，降低工作人員的集中精力和工作效率。而均勻的照明度創(chuàng)造了明亮和舒服的工作氛圍，提高了員工工作的積極性，也提升了辦公室的美感。

（二）工廠

在工廠生產環(huán)境中，LED照明系統(tǒng)的照度均勻度的重要性更加顯著，主要是體現(xiàn)在生產安全和精確性生產以及工作人員的生命安全等等。照明系統(tǒng)照度均勻度差的工作環(huán)境可能會造成嚴重的工作場所事故，以及制造過程中的誤操作，進而導致整體生產效率低下。在工廠中，對于需要注意細節(jié)的工作任務，如裝配線工作或質量控制，整個工作區(qū)域照明設置良好的照度均勻度至關重要。它可以確保工人能夠集中注意力工作，降低操作錯誤的風險，提高整體生產效率。此外，照度均勻度好的照明系統(tǒng)有助于識別危險和提高工作環(huán)境安全性。

（三）醫(yī)院

在醫(yī)院工作環(huán)境中，良好的照度均勻度的照明系統(tǒng)扮演著至關重要的角色，照度均勻度差的照明系統(tǒng)可能會導致一場手術的失誤甚至失敗，另外照度均勻度差的照明系統(tǒng)會影響醫(yī)生心理狀態(tài)和工作效果等等。此外，對于正在醫(yī)院康復的患者來說，具有良好照度均勻度的照明環(huán)境可以令患者在治療過程中更為安心，減少憂慮，有助于他們的身體康復。

三、 優(yōu)化LED照明系統(tǒng)的照度均勻度

（一）選擇合適的LED照明器具和合理布局

1. 光學透鏡和反射器的作用

光學透鏡和反射器在引導和塑造LED光源發(fā)射的光線方面起著關鍵作用，它們在控制光線實現(xiàn)所需的照明效果方面發(fā)揮著互補的功能。

（1）光學透鏡

LED照明系統(tǒng)中的光學透鏡具有將光線聚焦或擴散的功能。它們可以集中光束實現(xiàn)強烈的有向照明，也可以將光線擴展到更廣泛的區(qū)域，以實現(xiàn)更加分散和均勻的光照分布。使用的光學透鏡類型中，無論是凸透鏡、凹透鏡還是非球面透鏡，都在確定光線輸出性質方面起著重要作用。例如，凸透鏡通常用于創(chuàng)建聚焦的、窄束的光線，非常適合用于聚光燈或任務照明。

（2）反射器

反射器則通過重定光線和塑造光線來實現(xiàn)光源的最小化損失和增強照度均勻度。它們能夠反射已被浪費的光線，將其引導到預定區(qū)域。反射器的設計、形狀和表面處理（如光滑、紋理或鏡面反射）會顯著影響其在控制光線分布方面的有效性。反射器在需要將光線向下或向側面引導的應用中尤為重要，比如筒燈或壁掛式裝置。

2.討論光學設計在實現(xiàn)照度均勻度方面的應用

在LED照明系統(tǒng)中，光學設計涉及光學透鏡和反射器的復雜關系和相互作用，以控制和優(yōu)化光線分布。借助先進的軟件工具，設計師可以模擬各種照明場景，方便他們在實際實施之前預測和調整光照模式。

（1）模擬工具

這些模擬工具能夠全面分析光線與不同光學透鏡和反射器的表面和環(huán)境的相互作用，并考慮到因素如照明器具高度、光線發(fā)射角度以及多個光源之間的相互作用，以確保一致和均勻的照明環(huán)境。

（2）實際應用

光學設計在LED照明系統(tǒng)中的實際應用非常廣泛。例如，在零售空間中，可以使用聚焦和擴散照明的組合來展示產品，同時保持總體照明。在辦公環(huán)境中，光學設計要確保光線均勻分布，防止頻閃、藍光和陰影引起視覺器官疲勞。

（二）利用光學設計工具和技術

1. 光學透鏡和反射器的作用

（1）光學透鏡

在LED照明系統(tǒng)中，光學透鏡可以聚焦或散射光束。它們聚集光線的能力使其在需要定向照明的應用中非常突出，比如聚光燈或任務照明。相反，它們也可以將光線分散到更大的區(qū)域，創(chuàng)造更加均勻或分散的照明任務效果。這個特點在環(huán)境照明設置中尤為有益，其中的優(yōu)勢是覆蓋廣泛區(qū)域，而不會產生嚴重的陰影、頻閃和藍光。這些光學透鏡的材料和設計，無論是使用凸透鏡、凹透鏡還是平凸透鏡，其光線塑形能力都非常明顯。例如，凸透鏡可以將光線聚焦成一個集中的光束，而凹透鏡則用于將光線更廣泛地分散。

（2）反射器

反射器通過重定光線，防止光線流失，起到補充透鏡作用。它們的設計是將光線反射到預定區(qū)域，從而提高光源使用效率和優(yōu)化照度均勻度。反射器的形狀、尺寸和涂層在確定光線重定向方面起著重要作用。[2]例如，拋物面反射器可以將光線集中成更有向的光束，而漫反射反射器可以將光線更均勻地分散。

2. 利用光學設計實現(xiàn)均勻照度

設計師使用軟件來模擬光線模式，使他們能夠在實施之前可視化和優(yōu)化光源照明設置。這些模擬考慮了各種因素，如燈具安裝的高度、光線發(fā)射的角度以及多個光源之間的相互作用。這種預測性方法在大規(guī)模項目中尤為重要，比如商業(yè)或工業(yè)空間，均勻照明對于功能和美學都至關重要。例如，在零售店中，模擬軟件可以幫助確定軌道燈的最佳放置位置。

（三）控制光源的亮度和顏色溫度

1.描述調光和調色的方法

調整LED燈光的亮度和顏色溫度可以顯著影響照度均勻度。調光是根據(jù)不同區(qū)域的使用要求調整光照強度，減少眩光和過度照明。調整顏色溫度也可以影響照度均勻度的效果和視覺感知，一般較暖的色調通常被認為視覺效果較為柔和。

2.強調光源控制對照度均勻度的影響

光源的控制在實現(xiàn)和維持照度均勻度方面至關重要?，F(xiàn)代LED照明系統(tǒng)通常配置有智能控制，其可以根據(jù)使用環(huán)境、時間和其他環(huán)境因素實時調整光源。[3]這種自適應照明系統(tǒng)在一定程度上也能夠確保良好的照度均勻度，同時優(yōu)化能源使用效率并提高用戶視覺器官舒適度。

四、照度均勻度的評估方法

（一）不同照度均勻度評估指標的介紹

1.最小/最大照度均勻度比

最小/最大照度均勻度比是評估照度均勻度的關鍵指標之一。該比值通過將特定區(qū)域內的最小測得照度值除以最大值來計算，較低的比值表示更高程度的照度均勻度，意味著區(qū)域內的光分布更加均勻。這個指標在識別照明差異顯著的區(qū)域方面特別有參考價值，對于需要精確的照明任務的環(huán)境至關重要。

2.平均照度

平均照度是另一個重要的指標，代表了落在被照明物表面上的平均光量。它通過在區(qū)域內多次測量照度并計算平均值而得出。雖然這并不是直接地測量照度均勻度，但它為了解整體光照水平提供了基線，可以與特定任務或環(huán)境的期望或要求標準進行比較。

3.照度均勻度等級

照度均勻度等級是一種用于評估照明均勻度的分類系統(tǒng)。這一評級系統(tǒng)通常根據(jù)預定的標準，如最小到平均照度比率，將照度均勻度分為不同級別。較高的等級表示更好的照度均勻度，在醫(yī)院手術室、實驗室和高精度制造區(qū)等應用中尤為重要。

（二）討論測量工具和設備

1.使用光度計

光度計，或稱照度計，是測量照度水平不可或缺的工具。它提供了光強度的準確讀數(shù)，使專業(yè)人員能夠評估實際照明條件與計劃或所需的照度水平之間的差異。定期使用光度計進行監(jiān)測有助于維持最佳光源照明條件。

2.應用數(shù)字模擬和物理模型

數(shù)字模擬在評估照度均勻度方面起著關鍵作用。先進的軟件可以模擬照明情景，使設計師能夠預測和優(yōu)化調整照度均勻度。這些模擬軟件可以模擬各種環(huán)境條件，包括不同類型的照明裝置、布局和環(huán)境因素。物理模型模擬雖然是更為傳統(tǒng)的模擬方法，但在某些情境下仍十分有價值，特別是在模擬復雜或不尋常的建筑空間時，數(shù)字模型可能存在局限性，而物理模型剛好可以彌補數(shù)字模型的這一缺陷。

五、實際案例分析

（一）LED照明系統(tǒng)優(yōu)化案例分析

以下將對某大型企業(yè)辦公室的LED照明系統(tǒng)優(yōu)化思路進行分析。該企業(yè)辦公環(huán)境照明不均勻，存在部分區(qū)域過亮或過暗的問題。為實現(xiàn)均勻的照明，提高工作人員視覺器官的舒適度和工作效率，以及達到高節(jié)能的要求，提出其照明系統(tǒng)照度均勻度的優(yōu)化思路：首先對現(xiàn)有照明布局和燈具的評估，發(fā)現(xiàn)燈具類型及其安裝位置存在不足，不利于實現(xiàn)均勻的照明。其次，替換老舊的燈具，采用現(xiàn)代的、更高效的LED照明設備，并設計適合該環(huán)境的光源分布，即通過使用網(wǎng)格圖案重新設計布局，確保均勻的間距和最佳的光覆蓋效果。最后，還需要定期維護和評估照明系統(tǒng)，以保持長期的均勻照明。

（二）展示照度均勻度評估結果

對該企業(yè)照明系統(tǒng)的照度均勻度優(yōu)化前后進行了評估。優(yōu)化前，其最小/最大照度均勻度比較高，表明照度均勻度差。經過優(yōu)化后，這一比值顯著改善，表明辦公室內的光分布更加均勻。平均照度水平也得到了改善，優(yōu)化后的照度均勻度的讀數(shù)與辦公室照明的建議標準密切相符。原先照度均勻度等級較低，經過重新設計得到了提升。

（三）討論優(yōu)化的影響

照度均勻度優(yōu)化對辦公環(huán)境產生了顯著影響。員工問卷顯示，照明優(yōu)化后視覺疲勞明顯減少，整體舒適度得到提升，這種舒適度的轉化將帶來更高的工作效率和更好的工作狀態(tài)。同時，能源消耗也得到了降低。更高效的LED照明設備，加上優(yōu)化的布局，意味著為達到所需的照度水平需要消耗更少的電能，實現(xiàn)企業(yè)減少碳足跡的目標。

六、結束語

隨著對LED照明技術研究和應用的不斷推進，照度均勻度也會不斷得到優(yōu)化和改善，同時良好的照度均勻度對人們工作生活也越來越重要。因此在實驗室、醫(yī)院和工廠等需要良好照度均勻度的環(huán)境中，不僅要選擇具有良好照度均勻度的照明設備，同時還要對照明設備布置進行創(chuàng)新設計，此外還要對布置好的照明設備的照度均勻度進行定期測量和調整，如此才能保持好特定環(huán)境的照度均勻度，以滿足照明需求。